电源开关原理及发展

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1、电源开关原理及发展【摘要】开关电源由于体积、重量和效率三方面具有传统线性电源无可比拟的优点,近年来在国际电源市场上的发展异常迅速。资料报道,开关电源和线性电源间的等成本输出功率点,1973,1975、1977和1980年分别为600瓦、300瓦,200瓦和50瓦,目前已经降到20瓦。等成本输出功率点的不断下降,首先表明开关电源有与线性电源争夺市场的固有潜力,其次还表明开关电源技术在小功率应用范围内的发展已有突破。　　【关键词】开关电源技术；小功率；高频　　　　开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术

2、制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。　　1开关电源的发展　　1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（JenSen)发明了自激式推挽双变压器，１９６４年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了１９６９年由于

3、大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了２５千赫的开关电源。　　目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的１００kHz、用ＭＯＳ－ＦＥＴ制成的５００kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的

4、影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世

5、界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。　　2高频开关的组成　　2.1主电路　　从交流电X输入、直流输出的全过程，包括：　　2.1.1输入滤波器：其作用是将电X存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电X。　　2.1.2整流与滤波：将电X交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。　　2.1.3逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。　　2.1.4输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。　　2.2控制电路　　一方面从输出端取样，经与

6、设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。　　2.3检测电路　　除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。　　2.4辅助电源　　提供所有单一电路的不同要求电源。　　3开关电源的技术追求　　3.1小型化、薄型化、轻量化、高频化———开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及

7、变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。　　3.2高可靠性———开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着通信电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。　　3.3低噪声———开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可

8、以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。　　3.4采用计算机辅助设计和控制———采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电